注：通信協議的設計背景 3:00~10:13

?? I2C 通訊協議(Inter－Integrated Circuit)是由Phiilps公司開發的，由于它引腳少，硬件實現簡單，可擴展性強， 不需要USART、CAN等通訊協議的外部收發設備，現在被廣泛地使用在系統內多個集成電路(IC)間的通訊。
??I2C總線是一種用于芯片之間進行通信的串行總線。它由兩條線組成：串行時鐘線（SCL）和串行數據線（SDA）。這種總線允許多個設備在同一條總線上進行通信。

物理層

I2C通訊設備之間的常用連接方式見圖

I2C通信協議是一種通用的總線協議。I2C通信協議有以下特征：

• (1) 它是一個支持設備的總線。“總線”指多個設備共用的信號線。在一個I2C通訊總線中， 可連接多個I2C通訊設備，支持多個通訊主機及多個通訊從機。
• (2) 一個I2C總線只使用兩條總線線路，一條雙向串行數據線(SDA) ， 一條串行時鐘線 (SCL)。數據線即用來表示數據，時鐘線用于數據收發同步。
• (3) 每個連接到總線的設備都有一個獨立的地址， 主機可以利用這個地址進行不同設備之間的訪問。
• (4) 總線通過上拉電阻接到電源。當I2C設備空閑時，會輸出高阻態， 而當所有設備都空閑，都輸出高阻態時，由上拉電阻把總線拉成高電平。
• (5) 多個主機同時使用總線時，為了防止數據沖突， 會利用仲裁方式決定由哪個設備占用總線。
• (6) 具有三種傳輸模式：標準模式傳輸速率為100kbit/s ，快速模式為400kbit/s ， 高速模式下可達 3.4Mbit/s，但目前大多I2C設備尚不支持高速模式。
• (7) 連接到相同總線的 IC 數量受到總線的最大電容 400pF 限制
• SDA數據線在每個SCL的時鐘周期傳輸一位數據，SCL為高電平的時候SDA表示的數據有效。
• 應答信號和非應答信號I2C的數據和地址傳輸都帶響應。
  
  ??一主多從是指單片機作為主機，主導I2C總線的運行。掛在I2C總線上的所有外部模塊都是從機，只有被主機點名后才能控制I2C總線，不能在未經允許的情況下訪問I2C總線，以防止沖突。這就像在課堂上，老師是主機，學生是從機。未經點名允許，學生不能發言，但可以被動地聽老師講課。
  ??另外，I2C還支持多主多從模型，即多個主機。在多主多從模型中，總線上任何一個模塊都可以主動跳出來說，接下來我就是主機，你們都得聽我的。這就像在教室里，老師正在講課，突然一個學生站起來說，打斷一下，接下來讓我來說，所有同學聽我指揮。但是，同一個時間只能有一個人說話，這時就相當于發生了總線沖突。在總線沖突時，I2C協議會進行仲裁，仲裁勝利的一方取得總線控制權，失敗的一方自動變回從機。由于時鐘線也由主機控制，所以在多主機的模型下還要進行時鐘同步。多主機的情況下，協議是比較復雜的。本課程僅使用一主多從模型。
  以上是有關I2C的設計背景和基本功能。接下來我們將詳細分析I2C如何實現這些功能。??作為一個通信協議，I2C必須在硬件和軟件上作出規定。硬件上的規定包括電路的連接方式、端口的輸入輸出模式等；軟件上的規定包括時序的定義、字節的傳輸方式、高位先行還是低位先行等。這些硬件和軟件的規定結合起來構成了一個完整的通信協議。

協議層

??I2C的協議定義了通訊的起始和停止信號、數據有效性、響應、仲裁、時鐘同步和地址廣播等環節。

I2C基本讀寫過程

先看看I2C通訊過程的基本結構，它的通訊過程見圖

接下來我們先看一下12C的硬件規定，也就是I2C的硬件電路

I2C的硬件電路

這個圖就是I2C的典型電路模型，這個模型采用了一主多從的結構。在左側，我們可以看到CPU作為主設備，控制著總線并擁有很大的權利。其中，主機對SCL線擁有完全的控制權，無論何時何地，主機都負責掌控SCL線。在空閑狀態下，主機還可以主動發起對SDA的控制。但是，從機發送數據或應答時，主機需要將SDA的控制權轉交給從機。
接下來，我們看到了一系列被控IC，它們是掛載在12C總線上的從機設備，如姿態傳感器、OLED、存儲器、時鐘模塊等。這些從機的權利相對較小。對于SCL時鐘線，它們在任何時刻都只能被動的讀取，不允許控制SCL線；對于SDA數據線，從機也不允許主動發起控制，只有在主機發送讀取從機的命令后，或從機應答時，從機才能短暫地取得SDA的控制權。這就是一主多從模型中協議的規定。
然后我們來看接線部分。所有I2C設備的SCL和SDA都連接在一起。主機的SCL線拉出來，所有從機的SCL都接在這上面。主機的SDA線也是一樣，拉出來，所有從機的SDA接在這上面。這就是SCL和SDA的接線方式。
那到現在，我們先不繼續往后看了，先忽略這兩個電阻，那到現在，假設我們就這樣連接，那如何規定每個設備SCL和SDA的輸入輸出模式呢？
由于現在是一主多從結構，主機擁有SCL的絕對控制權，因此主機的SCL可以配置成推挽輸出，所有從機的SCL都配置成浮空輸入或上拉輸入。數據流向為主機發送、所有從機接收。但是到SDA線這里就比較復雜了，因為這是半雙工協議，所以主機的SDA在發送時是輸出，在接收時是輸入。同樣地，從機的SDA也會在輸入和輸出之間反復切換。如果能夠協調好輸入輸出的切換時機就沒有問題。但是這樣做的話，如果總線時序沒有協調好，就極有可能發生兩個引腳同時處于輸出的狀態。如果此時一個引腳輸出高電平，一個引腳輸出低電平，就會造成電源短路的情況，這是要極力避免的。
為了避免這種情況的發生，I2C的設計規定所有設備不輸出強上拉的高電平，而是采用外置弱上拉電阻加開漏輸出的電路結構。這兩點規定對應于前面提到的“設備的SCL和SDA均要配置成開漏輸出模式”以及“SCL和SDA各添加一個上拉電阻，阻值一般為4.7KΩ左右”。對應上面這個圖。

所有的設備，包括CPU和被控IC，它們的引腳內部結構都如上圖所示。圖左側展示的是SCL的結構，其中SClk代表SCL；右側則是SDA的結構，其中DATA代表SDA。引腳的信號輸入都可以通過一個數據緩沖器或施密特觸發器進行，因為輸入對電路無影響，所以任何設備在任何時刻都可以輸入。然而，在輸出部分，采用的是開漏輸出的配置。

正常的推挽輸出方式如下：上面一個開關管連接正極，下面一個開關管連接負極。當上面導通時，輸出高電平；下面導通時，輸出低電平。因為這是通過開關管直接連接到正負極的，所以這是強上拉和強下拉的模式。
而開漏輸出呢，就是去掉這個強上拉的開關管，輸出低電平時，下管導通，是強下拉，輸出高電平時，下管斷開，但是沒有上管了，此時引腳處于浮空的狀態，這就是開漏輸出。

和這里圖示是一樣的，輸出低電平，這個開關管導通，引腳直接接地，是強下拉，輸出高電平，這個開關管斷開，引腳什么都不接，處于浮空狀態，這樣的話，所有的設備都只能輸出低電平而不能輸出高電平，為了避免高電平造成的引腳浮空，這時就需要在總線外面，SCL和SDA各外置一個上拉電阻，這是通過一個電阻拉到高電平的，所以這是一個弱上拉。
UP主用彈簧和桿子的模型解釋這一段硬件電路設計
這樣做的好處是：

• 第一，完全杜絕了電源短路現象，保證電路的安全。你看所有人無論怎么拉桿子或者放手，桿子都不會處于一個被同時強拉和強推的狀態，即使有多個人同時往下拉桿子，也沒問題
• 第二，避免了引腳模式的頻繁切換。開漏加弱上拉的模式，同時兼具了輸入和輸出的功能，你要是想輸出，就去拉桿子或放手，操作桿子變化就行了，你要是想輸入，就直接放手，然后觀察桿子高低就行了，因為開漏模式下，輸出高電平就相當于斷開引腳，所以在輸入之前，可以直接輸出高電平，不需要再切換成輸入模式了。
• 第三，就是這個模式會有一個“線與”的現象。就是只要有任意一個或多個設備輸出了低電平，總線就處于低電平，只有所有設備都輸出高電平，總線才處于高電平。I2C可以利用這個電路特性執行多主機模式下的時鐘同步和總線仲裁，所以這里SCL雖然在一主多從模式下可以用推挽輸出，但是它仍然采用了開漏加上拉輸出的模式，因為在多主機模式下會利用到這個特征。

好，以上就是I2C的硬件電路設計，那接下來，我們就要來學習軟件，也就是時序的設計了。

I2C時序設計

首先我們來學習一下I2C規定的一些時序基本單元。

起始和終止條件

起始條件是指SCL高電平期間，SDA從高電平切換到低電平。在I2C總線處于空閑狀態時，SCL和SDA都處于高電平狀態，由外掛的上拉電阻保持。當主機需要數據收發時，會首先產生一個起始條件。這個起始條件是，SCL保持高電平，然后把SDA拉低，產生一個下降沿。當從機捕獲到這個SCL高電平，SDA下降沿信號時，就會進行自身的復位，等待主機的召喚。之后，主機需要將SCL拉低。這樣做一方面是占用這個總線，另一方面也是為了方便這些基本單元的拼接。這樣，除了起始和終止條件，每個時序單元的SCL都是以低電平開始，低電平結束。

終止條件是，SCL高電平期間，SDA從低電平切換到高電平。SCL先放開并回彈到高電平，SDA再放開并回彈高電平，產生一個上升沿。這個上升沿觸發終止條件，同時終止條件之后，SCL和SDA都是高電平，回歸到最初的平靜狀態。這個起始條件和終止條件就類似串口時序里的起始位和停止位。一個完整的數據幀總是以起始條件開始、終止條件結束。另外，起始和終止都是由主機產生的。因此，從機必須始終保持雙手放開，不允許主動跳出來去碰總線。如果允許從機這樣做，那么就會變成多主機模型，不在本節的討論范圍之內。這就是起始條件和終止條件的含義。

發送一個字節

接著繼續看，在起始條件之后，這時就可以緊跟著一個發送一個字節的時序單元，如何發送一個字節呢？

就這樣的流程，主機拉低SCL，把數據放在SDA上，主機松開SCL，從機讀取SDA的數據，在SCL的同步下，依次進行主機發送和從機接收，循環8次，就發送了8位數據，也就是一個字節，另外注意，這里是高位先行，所以第一位是一個字節的最高位B7，然后依次是次高位B6…

接收一個字節

那我們再繼續看最后兩個基本單元，就是應答機制的設計。

發送應答和接收應答

發一字節收一位，收一字節發一位

應用：

I2C從機地址

12C的完整時序，主要有指定地址寫,當前地址讀和指定地址讀這3種。
首先注意的是，我們這個12C是一主多從的模型，主機可以訪問總線上的任何一個設備，那如何發出指令，來確定要訪問的是哪個設備呢？
為了解決這個問題，我們需要為每個從設備分配一個唯一的設備地址。這些地址就像是每個設備的名字，主機通過發送這些地址來確定要與哪個設備通信。

當主機發送一個地址時，所有的從設備都會收到這個地址。但是，只有與發送的地址匹配的設備會響應主機的讀寫操作。
在I2C總線中，每個掛載的設備的地址必須是唯一的，否則當主機發送一個地址時，多個設備響應，就會導致混亂。
在12C協議標準中，從機設備地址分為7位和10位兩種。我們今天主要討論7位地址，因為它們相對簡單且應用廣泛。

每個I2C設備在出廠時都會被分配一個7位的地址。例如，MPU6050的7位地址是1101 000，而AT24C02的7位地址是1010 000。不同型號的芯片地址是不同的，但相同型號的芯片地址是相同的。
如果多個相同型號的芯片掛載在同一條總線上，我們可以通過調整地址的最后幾位來解決這個問題。例如，MPU6050的地址可以通過ADO引腳來改變，而AT24C02的地址可以通過A0、A1、A2引腳來改變。這樣，即使相同型號的芯片，掛載在同一個總線上，也可以通過切換地址低位的方式，保證每個設備的地址都是唯一的。這就是12C設備的從機地址。

下面時序講解詳情
注意：時序里面的RA是接收從機的應答位(Receive Ack, RA)

指定地址寫

(Sláve Address + R/W) 中最后一位 0=W（寫），根據協議規定，緊跟著的單元，就得是接收從機的應答位（Receive Ack， RA），在這個時刻，主機要釋放SDA，
所以如果單看主機的波形，應該是這樣，

釋放SDA之后，引腳電平回彈到高電平，但是根據協議規定，從機要在這個位拉低SDA，所以單看從機的波形，應該是這樣（綠色線）

該應答的時候，從機立刻拽住SDA，然后應答結束之后，從機再放開SDA，那現在綜合兩者的波形，結合線與的特性，在主機釋放SDA之后，由于SDA也被從機拽住了，所以主機松手后，SDA并沒有回彈高電平，這個過程，就代表從機產生了應答。最終高電平期間，主機讀取SDA，發現是0，就說明，我進行尋址，有人給我應答了。如果主機讀取SDA，發現是1，就說明，我進行尋址，應答位期間，我松手了，但是沒人拽住它，沒人給我應答，那就直接產生停止條件吧，并提示一些信息，這就是應答位。
然后這個上升沿，就是應答位結束后，從機釋放SDA產生的，從機交出了SDA的控制權，因為從機要在低電平盡快變換數據，所以這個上升沿和SCL的下降沿，幾乎是同時發生的。

當前地址讀

指定地址讀

指定地址讀=指定地址寫+當前地址讀

Sr (Start Repeat)的意思就是重復起始條件，因為指定讀寫標志位只能是跟著起始條件的第一個字節，所以如果想切換讀寫方向，只能再來個起始條件。然后起始條件后，重新尋址并且指定讀寫標志位

代碼實戰：10-1 軟件I2C讀寫MPU6050

由于我們這個代碼使用的是軟件I2C，就是用普通的GPIO口，手動翻轉電平實現的協議，它并不需要STM32內部的外設資源支持，所以這里的端口（SDA，SCL），其實可以任意指定，不局限于這兩個端口，你也可以SCL接PAO，SDA接PB12，或者SCL接PA8,SDA接PA9看，等等等等，接在任意的兩個普通的GPIO口就可以。
軟件I2C，只需要用gpio的讀寫函數就行了，就不用I2C的庫函數了。

程序的整體框架：

MyI2C.h

#ifndef __MYI2C_H
#define __MYI2C_Hvoid MyI2C_Init(void);
void MyI2C_Start(void);
void MyI2C_Stop(void);
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte);
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void);
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit);
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void);#endif

MyI2C.C

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"/*引腳配置層*//*** 函    數：I2C寫SCL引腳電平* 參    數：BitValue 協議層傳入的當前需要寫入SCL的電平，范圍0~1* 返 回 值：無* 注意事項：此函數需要用戶實現內容，當BitValue為0時，需要置SCL為低電平，當BitValue為1時，需要置SCL為高電平*/
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);		//根據BitValue，設置SCL引腳的電平Delay_us(10);												//延時10us，防止時序頻率超過要求
}/*** 函    數：I2C寫SDA引腳電平* 參    數：BitValue 協議層傳入的當前需要寫入SDA的電平，范圍0~0xFF* 返 回 值：無* 注意事項：此函數需要用戶實現內容，當BitValue為0時，需要置SDA為低電平，當BitValue非0時，需要置SDA為高電平*/
void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);		//根據BitValue，設置SDA引腳的電平，BitValue要實現非0即1的特性Delay_us(10);												//延時10us，防止時序頻率超過要求
}/*** 函    數：I2C讀SDA引腳電平* 參    數：無* 返 回 值：協議層需要得到的當前SDA的電平，范圍0~1* 注意事項：此函數需要用戶實現內容，當前SDA為低電平時，返回0，當前SDA為高電平時，返回1*/
uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{uint8_t BitValue;BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);		//讀取SDA電平Delay_us(10);												//延時10us，防止時序頻率超過要求return BitValue;											//返回SDA電平
}/*** 函    數：I2C初始化* 參    數：無* 返 回 值：無* 注意事項：此函數需要用戶實現內容，實現SCL和SDA引腳的初始化*/
void MyI2C_Init(void)
{/*開啟時鐘*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);	//開啟GPIOB的時鐘/*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);					//將PB10和PB11引腳初始化為開漏輸出/*設置默認電平*/GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);			//設置PB10和PB11引腳初始化后默認為高電平（釋放總線狀態）
}/*協議層*//*** 函    數：I2C起始* 參    數：無* 返 回 值：無*/
void MyI2C_Start(void)
{MyI2C_W_SDA(1);							//釋放SDA，確保SDA為高電平MyI2C_W_SCL(1);							//釋放SCL，確保SCL為高電平MyI2C_W_SDA(0);							//在SCL高電平期間，拉低SDA，產生起始信號MyI2C_W_SCL(0);							//起始后把SCL也拉低，即為了占用總線，也為了方便總線時序的拼接
}/*** 函    數：I2C終止* 參    數：無* 返 回 值：無*/
void MyI2C_Stop(void)
{MyI2C_W_SDA(0);							//拉低SDA，確保SDA為低電平MyI2C_W_SCL(1);							//釋放SCL，使SCL呈現高電平MyI2C_W_SDA(1);							//在SCL高電平期間，釋放SDA，產生終止信號
}/*** 函    數：I2C發送一個字節* 參    數：Byte 要發送的一個字節數據，范圍：0x00~0xFF* 返 回 值：無*/
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{uint8_t i;for (i = 0; i < 8; i ++)				//循環8次，主機依次發送數據的每一位{MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));	//使用掩碼的方式取出Byte的指定一位數據并寫入到SDA線MyI2C_W_SCL(1);						//釋放SCL，從機在SCL高電平期間讀取SDAMyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，主機開始發送下一位數據}
}/*** 函    數：I2C接收一個字節* 參    數：無* 返 回 值：接收到的一個字節數據，范圍：0x00~0xFF*/
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{uint8_t i, Byte = 0x00;					//定義接收的數據，并賦初值0x00，此處必須賦初值0x00，后面會用到MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主機先確保釋放SDA，避免干擾從機的數據發送for (i = 0; i < 8; i ++)				//循環8次，主機依次接收數據的每一位{MyI2C_W_SCL(1);						//釋放SCL，主機機在SCL高電平期間讀取SDAif (MyI2C_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}	//讀取SDA數據，并存儲到Byte變量//當SDA為1時，置變量指定位為1，當SDA為0時，不做處理，指定位為默認的初值0MyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，從機在SCL低電平期間寫入SDA}return Byte;							//返回接收到的一個字節數據
}/*** 函    數：I2C發送應答位* 參    數：Byte 要發送的應答位，范圍：0~1，0表示應答，1表示非應答* 返 回 值：無*/
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{MyI2C_W_SDA(AckBit);					//主機把應答位數據放到SDA線MyI2C_W_SCL(1);							//釋放SCL，從機在SCL高電平期間，讀取應答位MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，開始下一個時序模塊
}/*** 函    數：I2C接收應答位* 參    數：無* 返 回 值：接收到的應答位，范圍：0~1，0表示應答，1表示非應答*/
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{uint8_t AckBit;							//定義應答位變量MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主機先確保釋放SDA，避免干擾從機的數據發送MyI2C_W_SCL(1);							//釋放SCL，主機機在SCL高電平期間讀取SDAAckBit = MyI2C_R_SDA();					//將應答位存儲到變量里MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，開始下一個時序模塊return AckBit;							//返回定義應答位變量
}

函數邏輯：

• void MyI2C_Start(void)
  
  如果起始條件之前SCL和SDA已經是高電平了，那先釋放哪一個是一樣的效果，但是在指定地址讀中，為了改變讀寫標志位，我們這個Start還要兼容這里的重復起始條件Sr。
  
  Sr最開始，SCL是低電平，SDA電平不敢確定，所以保險起見，我們趁SCL是低電平，先確保釋放SDA，再釋放SCL，這時SDA和SCL都是高電平，然后再拉低SDA、拉低SCL，這樣這個Start就可以兼容起始條件和重復起始條件了。
  【如果先釋放SCL，在SCL高電平期間再釋放SDA會被誤以為是終止條件；這里Sr是需要重新生成一個開始條件即SCL高電平期間，SDA從高變低。如果不先拉低SDA，就容易造成。SCL高電平期間，SDA從低變高。變成結束信號了。】

• void MyI2C_Stop(void)
  
  
  在這里，如果Stop開始時，那就先釋放SCL，再釋放SDA就行了，但是在這個時序單元開始時，SDA并不一定是低電平，所以為了確保之后釋放SDA能產生上升沿，我們要在時序單元開始時，先拉低SDA，然后再釋放SCL、釋放SDA。

• void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
  
  發送一個字節時序開始時，SCL是低電平,實際上，除了終止條件，SCL以高電平結束,所有的單元我們都會保證SCL以低電平結束，這樣方便各個單元的拼接。
  補充：
  Byte & 0x80 就是用按位與的方式，取出數據的某一位或某幾位，感覺這里準確的講是檢查位是否為1，而不是取出最高位

• …

MPU6050_Reg.h

#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H#define	MPU6050_SMPLRT_DIV		0x19
#define	MPU6050_CONFIG			0x1A
#define	MPU6050_GYRO_CONFIG		0x1B
#define	MPU6050_ACCEL_CONFIG	0x1C#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_H	0x3B
#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_L	0x3C
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_H	0x3D
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_L	0x3E
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_H	0x3F
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_L	0x40
#define	MPU6050_TEMP_OUT_H		0x41
#define	MPU6050_TEMP_OUT_L		0x42
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_H		0x43
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_L		0x44
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_H		0x45
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_L		0x46
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_H		0x47
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_L		0x48#define	MPU6050_PWR_MGMT_1		0x6B
#define	MPU6050_PWR_MGMT_2		0x6C
#define	MPU6050_WHO_AM_I		0x75#endif

MPU6050.h

#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_Hvoid MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data);
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress);void MPU6050_Init(void);
uint8_t MPU6050_GetID(void);
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ);#endif

MPU6050.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MyI2C.h"
#include "MPU6050_Reg.h"#define MPU6050_ADDRESS		0xD0		//MPU6050的I2C從機地址/*** 函    數：MPU6050寫寄存器* 參    數：RegAddress 寄存器地址，范圍：參考MPU6050手冊的寄存器描述* 參    數：Data 要寫入寄存器的數據，范圍：0x00~0xFF* 返 回 值：無*/
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{MyI2C_Start();						//I2C起始MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);	//發送從機地址，讀寫位為0，表示即將寫入MyI2C_ReceiveAck();					//接收應答MyI2C_SendByte(RegAddress);			//發送寄存器地址MyI2C_ReceiveAck();					//接收應答MyI2C_SendByte(Data);				//發送要寫入寄存器的數據MyI2C_ReceiveAck();					//接收應答MyI2C_Stop();						//I2C終止
}/*** 函    數：MPU6050讀寄存器* 參    數：RegAddress 寄存器地址，范圍：參考MPU6050手冊的寄存器描述* 返 回 值：讀取寄存器的數據，范圍：0x00~0xFF*/
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{uint8_t Data;MyI2C_Start();						//I2C起始MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);	//發送從機地址，讀寫位為0，表示即將寫入MyI2C_ReceiveAck();					//接收應答MyI2C_SendByte(RegAddress);			//發送寄存器地址MyI2C_ReceiveAck();					//接收應答MyI2C_Start();						//I2C重復起始MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01);	//發送從機地址，讀寫位為1，表示即將讀取MyI2C_ReceiveAck();					//接收應答Data = MyI2C_ReceiveByte();			//接收指定寄存器的數據MyI2C_SendAck(1);					//發送應答，給從機非應答，終止從機的數據輸出MyI2C_Stop();						//I2C終止return Data;
}/*** 函    數：MPU6050初始化* 參    數：無* 返 回 值：無*/
void MPU6050_Init(void)
{MyI2C_Init();									//先初始化底層的I2C/*MPU6050寄存器初始化，需要對照MPU6050手冊的寄存器描述配置，此處僅配置了部分重要的寄存器*/MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);		//電源管理寄存器1，取消睡眠模式，選擇時鐘源為X軸陀螺儀MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);		//電源管理寄存器2，保持默認值0，所有軸均不待機MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);		//采樣率分頻寄存器，配置采樣率MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);			//配置寄存器，配置DLPFMPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);	//陀螺儀配置寄存器，選擇滿量程為±2000°/sMPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);	//加速度計配置寄存器，選擇滿量程為±16g
}/*** 函    數：MPU6050獲取ID號* 參    數：無* 返 回 值：MPU6050的ID號*/
uint8_t MPU6050_GetID(void)
{return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);		//返回WHO_AM_I寄存器的值
}/*** 函    數：MPU6050獲取數據* 參    數：AccX AccY AccZ 加速度計X、Y、Z軸的數據，使用輸出參數的形式返回，范圍：-32768~32767* 參    數：GyroX GyroY GyroZ 陀螺儀X、Y、Z軸的數據，使用輸出參數的形式返回，范圍：-32768~32767* 返 回 值：無*/
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{uint8_t DataH, DataL;								//定義數據高8位和低8位的變量DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);		//讀取加速度計X軸的高8位數據DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);		//讀取加速度計X軸的低8位數據*AccX = (DataH << 8) | DataL;						//數據拼接，通過輸出參數返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);		//讀取加速度計Y軸的高8位數據DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);		//讀取加速度計Y軸的低8位數據*AccY = (DataH << 8) | DataL;						//數據拼接，通過輸出參數返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);		//讀取加速度計Z軸的高8位數據DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);		//讀取加速度計Z軸的低8位數據*AccZ = (DataH << 8) | DataL;						//數據拼接，通過輸出參數返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);		//讀取陀螺儀X軸的高8位數據DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);		//讀取陀螺儀X軸的低8位數據*GyroX = (DataH << 8) | DataL;						//數據拼接，通過輸出參數返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);		//讀取陀螺儀Y軸的高8位數據DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);		//讀取陀螺儀Y軸的低8位數據*GyroY = (DataH << 8) | DataL;						//數據拼接，通過輸出參數返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);		//讀取陀螺儀Z軸的高8位數據DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);		//讀取陀螺儀Z軸的低8位數據*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;						//數據拼接，通過輸出參數返回
}

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MPU6050.h"uint8_t ID;								//定義用于存放ID號的變量
int16_t AX, AY, AZ, GX, GY, GZ;			//定義用于存放各個數據的變量int main(void)
{/*模塊初始化*/OLED_Init();		//OLED初始化MPU6050_Init();		//MPU6050初始化/*顯示ID號*/OLED_ShowString(1, 1, "ID:");		//顯示靜態字符串ID = MPU6050_GetID();				//獲取MPU6050的ID號OLED_ShowHexNum(1, 4, ID, 2);		//OLED顯示ID號while (1){MPU6050_GetData(&AX, &AY, &AZ, &GX, &GY, &GZ);		//獲取MPU6050的數據OLED_ShowSignedNum(2, 1, AX, 5);					//OLED顯示數據OLED_ShowSignedNum(3, 1, AY, 5);OLED_ShowSignedNum(4, 1, AZ, 5);OLED_ShowSignedNum(2, 8, GX, 5);OLED_ShowSignedNum(3, 8, GY, 5);OLED_ShowSignedNum(4, 8, GZ, 5);}
}

那之前的課程我們用的是軟件I2C，手動拉低或釋放時鐘線，然后再手動對每個數據位進行判斷，拉低或釋放數據線，這樣來產生這個的波形，這是軟件I2C。由于12C是同步時序，這每一位的持續時間要求不嚴格，或許中途暫停一下時序，影響都不大，所以2C是比較容易用軟件模擬的。
在實際項目中，軟件模擬的I2C也是非常常見的，但是作為一個協議標準，I2C通信，也是可以有硬件收發電路的。就像之前的串口通信一樣，我們先講了串口的時序波形，但是在程序中，我們并沒有用軟件去手動翻轉電平來實現這個波形，這是因為串口是異步時序，每一位的時間要求很嚴格，不能過長也不能過短，所以串口時序雖然可以用軟件模擬，但是操作起來比較困難。另外，由于串口的硬件收發器在單片機中的普及程度非常高，基本上每個單片機都有串口的硬件資源，而且硬件實現的串口使用起來還非常簡單，所以，串口通信，我們基本都是借助硬件收發器來實現的。

I2C通信外設

硬件實現串口（USART）的使用流程：首先配置USART外設，然后寫入數據寄存器DR，然后硬件收發器就會自動生成波形發送出去，最后我們等待發送完成的標志位即可。
回到I2C這里，I2C也可以有軟件模擬和硬件收發器自動操作這兩種異步時序，對于串口這樣的異步時序，軟件實現麻煩，硬件實現簡單，所以串口的實現基本是全部倒向硬件。而對于I2C這樣的同步時序來說，軟件實現簡單靈活，硬件實現麻煩，但可以節省軟件資源、可以實現完整的多主機通信模型等，各有優缺點。

I2C框圖

I2C基本結構

代碼實戰：10-2硬件I2C讀寫MPU6050

MPU6050.h

#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_Hvoid MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data);
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress);void MPU6050_Init(void);
uint8_t MPU6050_GetID(void);
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ);#endif

MPU6050_REG.h

#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H#define	MPU6050_SMPLRT_DIV		0x19
#define	MPU6050_CONFIG			0x1A
#define	MPU6050_GYRO_CONFIG		0x1B
#define	MPU6050_ACCEL_CONFIG	0x1C#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_H	0x3B
#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_L	0x3C
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_H	0x3D
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_L	0x3E
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_H	0x3F
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_L	0x40
#define	MPU6050_TEMP_OUT_H		0x41
#define	MPU6050_TEMP_OUT_L		0x42
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_H		0x43
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_L		0x44
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_H		0x45
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_L		0x46
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_H		0x47
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_L		0x48#define	MPU6050_PWR_MGMT_1		0x6B
#define	MPU6050_PWR_MGMT_2		0x6C
#define	MPU6050_WHO_AM_I		0x75#endif

MPU6050.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MPU6050_Reg.h"#define MPU6050_ADDRESS		0xD0		//MPU6050的I2C從機地址/*** 函    數：MPU6050等待事件* 參    數：同I2C_CheckEvent* 返 回 值：無*/
void MPU6050_WaitEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)
{uint32_t Timeout;Timeout = 10000;									//給定超時計數時間while (I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT) != SUCCESS)	//循環等待指定事件{Timeout --;										//等待時，計數值自減if (Timeout == 0)								//自減到0后，等待超時{/*超時的錯誤處理代碼，可以添加到此處*/break;										//跳出等待，不等了}}
}/*** 函    數：MPU6050寫寄存器* 參    數：RegAddress 寄存器地址，范圍：參考MPU6050手冊的寄存器描述* 參    數：Data 要寫入寄存器的數據，范圍：0x00~0xFF* 返 回 值：無*/
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);										//硬件I2C生成起始條件MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);					//等待EV5I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);	//硬件I2C發送從機地址，方向為發送MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);	//等待EV6I2C_SendData(I2C2, RegAddress);											//硬件I2C發送寄存器地址MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING);			//等待EV8I2C_SendData(I2C2, Data);												//硬件I2C發送數據MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);				//等待EV8_2I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);											//硬件I2C生成終止條件
}/*** 函    數：MPU6050讀寄存器* 參    數：RegAddress 寄存器地址，范圍：參考MPU6050手冊的寄存器描述* 返 回 值：讀取寄存器的數據，范圍：0x00~0xFF*/
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{uint8_t Data;I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);										//硬件I2C生成起始條件MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);					//等待EV5I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);	//硬件I2C發送從機地址，方向為發送MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);	//等待EV6I2C_SendData(I2C2, RegAddress);											//硬件I2C發送寄存器地址MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);				//等待EV8_2I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);										//硬件I2C生成重復起始條件MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);					//等待EV5I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);		//硬件I2C發送從機地址，方向為接收MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED);		//等待EV6I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, DISABLE);									//在接收最后一個字節之前提前將應答失能I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);											//在接收最后一個字節之前提前申請停止條件MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED);				//等待EV7Data = I2C_ReceiveData(I2C2);											//接收數據寄存器I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, ENABLE);									//將應答恢復為使能，為了不影響后續可能產生的讀取多字節操作return Data;
}/*** 函    數：MPU6050初始化* 參    數：無* 返 回 值：無*/
void MPU6050_Init(void)
{/*開啟時鐘*/RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE);		//開啟I2C2的時鐘RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);		//開啟GPIOB的時鐘/*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);					//將PB10和PB11引腳初始化為復用開漏輸出/*I2C初始化*/I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;						//定義結構體變量I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;				//模式，選擇為I2C模式I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000;				//時鐘速度，選擇為50KHzI2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;		//時鐘占空比，選擇Tlow/Thigh = 2I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;				//應答，選擇使能I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;	//應答地址，選擇7位，從機模式下才有效I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;				//自身地址，從機模式下才有效I2C_Init(I2C2, &I2C_InitStructure);						//將結構體變量交給I2C_Init，配置I2C2/*I2C使能*/I2C_Cmd(I2C2, ENABLE);									//使能I2C2，開始運行/*MPU6050寄存器初始化，需要對照MPU6050手冊的寄存器描述配置，此處僅配置了部分重要的寄存器*/MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);				//電源管理寄存器1，取消睡眠模式，選擇時鐘源為X軸陀螺儀MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);				//電源管理寄存器2，保持默認值0，所有軸均不待機MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);				//采樣率分頻寄存器，配置采樣率MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);					//配置寄存器，配置DLPFMPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);			//陀螺儀配置寄存器，選擇滿量程為±2000°/sMPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);			//加速度計配置寄存器，選擇滿量程為±16g
}/*** 函    數：MPU6050獲取ID號* 參    數：無* 返 回 值：MPU6050的ID號*/
uint8_t MPU6050_GetID(void)
{return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);		//返回WHO_AM_I寄存器的值
}/*** 函    數：MPU6050獲取數據* 參    數：AccX AccY AccZ 加速度計X、Y、Z軸的數據，使用輸出參數的形式返回，范圍：-32768~32767* 參    數：GyroX GyroY GyroZ 陀螺儀X、Y、Z軸的數據，使用輸出參數的形式返回，范圍：-32768~32767* 返 回 值：無*/
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{uint8_t DataH, DataL;								//定義數據高8位和低8位的變量DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);		//讀取加速度計X軸的高8位數據DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);		//讀取加速度計X軸的低8位數據*AccX = (DataH << 8) | DataL;						//數據拼接，通過輸出參數返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);		//讀取加速度計Y軸的高8位數據DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);		//讀取加速度計Y軸的低8位數據*AccY = (DataH << 8) | DataL;						//數據拼接，通過輸出參數返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);		//讀取加速度計Z軸的高8位數據DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);		//讀取加速度計Z軸的低8位數據*AccZ = (DataH << 8) | DataL;						//數據拼接，通過輸出參數返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);		//讀取陀螺儀X軸的高8位數據DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);		//讀取陀螺儀X軸的低8位數據*GyroX = (DataH << 8) | DataL;						//數據拼接，通過輸出參數返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);		//讀取陀螺儀Y軸的高8位數據DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);		//讀取陀螺儀Y軸的低8位數據*GyroY = (DataH << 8) | DataL;						//數據拼接，通過輸出參數返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);		//讀取陀螺儀Z軸的高8位數據DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);		//讀取陀螺儀Z軸的低8位數據*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;						//數據拼接，通過輸出參數返回
}

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MPU6050.h"uint8_t ID;								//定義用于存放ID號的變量
int16_t AX, AY, AZ, GX, GY, GZ;			//定義用于存放各個數據的變量int main(void)
{/*模塊初始化*/OLED_Init();		//OLED初始化MPU6050_Init();		//MPU6050初始化/*顯示ID號*/OLED_ShowString(1, 1, "ID:");		//顯示靜態字符串ID = MPU6050_GetID();				//獲取MPU6050的ID號OLED_ShowHexNum(1, 4, ID, 2);		//OLED顯示ID號while (1){MPU6050_GetData(&AX, &AY, &AZ, &GX, &GY, &GZ);		//獲取MPU6050的數據OLED_ShowSignedNum(2, 1, AX, 5);					//OLED顯示數據OLED_ShowSignedNum(3, 1, AY, 5);OLED_ShowSignedNum(4, 1, AZ, 5);OLED_ShowSignedNum(2, 8, GX, 5);OLED_ShowSignedNum(3, 8, GY, 5);OLED_ShowSignedNum(4, 8, GZ, 5);}
}

SPI通信協議

??SPI協議是由摩托羅拉公司提出的通訊協議(Serial Peripheral Interface)，即串行外圍設備接口， 是一種高速全雙工的通信總線。它被廣泛地使用在ADC、LCD等設備與MCU間，要求通訊速率較高的場合。
??學習本章時，可與I2C章節對比閱讀，體會兩種通訊總線的差異以及EEPROM存儲器與FLASH存儲器的區別。下面我們分別對SPI協議的物理層及協議層進行講解。

SPI物理層

SPI通訊設備之間的常用連接方式見圖

??SPI通訊使用3條總線及片選線，3條總線分別為SCK、MOSI、MISO，片選線為SS，它們的作用介紹如下：

(1) SS ( Slave Select)：從設備選擇信號線，常稱為片選信號線，也稱為NSS、CS，以下用NSS表示。當有多個SPI從設備與SPI主機相連時， 設備的其它信號線SCK、MOSI及MISO同時并聯到相同的SPI總線上，即無論有多少個從設備，都共同只使用這3條總線； 而每個從設備都有獨立的這一條NSS信號線，本信號線獨占主機的一個引腳，即有多少個從設備，就有多少條片選信號線。 I2C協議中通過設備地址來尋址、選中總線上的某個設備并與其進行通訊；而SPI協議中沒有設備地址，它使用NSS信號線來尋址， 當主機要選擇從設備時，把該從設備的NSS信號線設置為低電平，該從設備即被選中，即片選有效， 接著主機開始與被選中的從設備進行SPI通訊。所以SPI通訊以NSS線置低電平為開始信號，以NSS線被拉高作為結束信號。

(2) SCK (Serial Clock)：時鐘信號線，用于通訊數據同步。它由通訊主機產生，決定了通訊的速率，不同的設備支持的最高時鐘頻率不一樣， 如STM32的SPI時鐘頻率最大為fpclk/2，兩個設備之間通訊時，通訊速率受限于低速設備。

(3) MOSI (Master Output， Slave Input)：主設備輸出/從設備輸入引腳。主機的數據從這條信號線輸出， 從機由這條信號線讀入主機發送的數據，即這條線上數據的方向為主機到從機。

(4) MISO (Master Input,，Slave Output)：主設備輸入/從設備輸出引腳。主機從這條信號線讀入數據， 從機的數據由這條信號線輸出到主機，即在這條線上數據的方向為從機到主機。

SPI協議層

與I2C的類似，SPI協議定義了通訊的起始和停止信號、數據有效性、時鐘同步等環節。

SPI基本通訊過程

先看看SPI通訊的通訊時序，

??這是一個主機的通訊時序。NSS、SCK、MOSI信號都由主機控制產生，而MISO的信號由從機產生，主機通過該信號線讀取從機的數據。 MOSI與MISO的信號只在NSS為低電平的時候才有效，在SCK的每個時鐘周期MOSI和MISO傳輸一位數據。

以上通訊流程中包含的各個信號分解如下：

1.通訊的起始和停止信號

??在圖 SPI通訊時序 中的標號處，NSS信號線由高變低，是SPI通訊的起始信號。NSS是每個從機各自獨占的信號線， 當從機在自己的NSS線檢測到起始信號后，就知道自己被主機選中了，開始準備與主機通訊。在圖中的標號處，NSS信號由低變高， 是SPI通訊的停止信號，表示本次通訊結束，從機的選中狀態被取消。

2.數據有效性

MSB高位先行，LSB低位先行

??SPI使用MOSI及MISO信號線來傳輸數據，使用SCK信號線進行數據同步。MOSI及MISO數據線在SCK的每個時鐘周期傳輸一位數據， 且數據輸入輸出是同時進行的。數據傳輸時，MSB先行或LSB先行并沒有作硬性規定，但要保證兩個SPI通訊設備之間使用同樣的協定， 一般都會采用圖 SPI通訊時序 中的MSB先行模式。
??觀察圖中的標號處，MOSI及MISO的數據在SCK的上升沿期間變化輸出，在SCK的下降沿時被采樣。即在SCK的下降沿時刻， MOSI及MISO的數據有效，高電平時表示數據“1”，為低電平時表示數據“0”。在其它時刻，數據無效，MOSI及MISO為下一次表示數據做準備。
??SPI每次數據傳輸可以8位或16位為單位，每次傳輸的單位數不受限制。

3.CPOL/CPHA及通訊模式

??上面講述的圖 SPI通訊時序 中的時序只是SPI中的其中一種通訊模式，SPI一共有四種通訊模式， 它們的主要區別是總線空閑時SCK的時鐘狀態以及數據采樣時刻。為方便說明，在此引入“時鐘極性CPOL”和“時鐘相位CPHA”的概念。

??時鐘極性CPOL是指SPI通訊設備處于空閑狀態時，SCK信號線的電平信號(即SPI通訊開始前、 NSS線為高電平時SCK的狀態)。CPOL=0時， SCK在空閑狀態時為低電平，CPOL=1時，則相反。
??時鐘相位CPHA是指數據的采樣的時刻，當CPHA=0時，MOSI或MISO數據線上的信號將會在SCK時鐘線的“奇數邊沿”被采樣。當CPHA=1時， 數據線在SCK的“偶數邊沿”采樣。見圖 CPHA = 0時的SPI通訊模式 及圖 CPHA = 1時的SPI通訊模式 。

??我們來分析這個CPHA=0的時序圖。首先，根據SCK在空閑狀態時的電平，分為兩種情況。 SCK信號線在空閑狀態為低電平時，CPOL=0；空閑狀態為高電平時，CPOL=1。
??無論CPOL=0還是=1，因為我們配置的時鐘相位CPHA=0，在圖中可以看到，采樣時刻都是在SCK的奇數邊沿。 注意當CPOL=0的時候，時鐘的奇數邊沿是上升沿，而CPOL=1的時候，時鐘的奇數邊沿是下降沿。所以SPI的采樣時刻不是由上升/下降沿決定的。 MOSI和MISO數據線的有效信號在SCK的奇數邊沿保持不變，數據信號將在SCK奇數邊沿時被采樣，在非采樣時刻，MOSI和MISO的有效信號才發生切換。
??類似地，當CPHA=1時，不受CPOL的影響，數據信號在SCK的偶數邊沿被采樣，見圖 CPHA=1時的SPI通訊模式_ 。

??由CPOL及CPHA的不同狀態，SPI分成了四種模式，見表 SPI的四種模式 ， 主機與從機需要工作在相同的模式下才可以正常通訊，實際中采用較多的是“模式0”與“模式3”。

STM32的SPI特性及架構

與I2C外設一樣，STM32芯片也集成了專門用于SPI協議通訊的外設。

1.STM32的SPI外設簡介

??STM32的SPI外設可用作通訊的主機及從機， 支持最高的SCK時鐘頻率為fpclk/2 (STM32F103型號的芯片默認fpclk1為36MHz， fpclk2為72MHz)，完全支持SPI協議的4種模式，數據幀長度可設置為8位或16位， 可設置數據MSB先行或LSB先行。它還支持雙線全雙工(前面小節說明的都是這種模式)、雙線單向以及單線模式。 其中雙線單向模式可以同時使用MOSI及MISO數據線向一個方向傳輸數據，可以加快一倍的傳輸速度。而單線模式則可以減少硬件接線， 當然這樣速率會受到影響。我們只講解雙線全雙工模式。

2. STM32的SPI架構剖析

1.通訊引腳

??SPI的所有硬件架構都從圖 SPI架構圖 中左側MOSI、MISO、SCK及NSS線展開的。STM32芯片有多個SPI外設， 它們的SPI通訊信號引出到不同的GPIO引腳上，使用時必須配置到這些指定的引腳，見表 STM32F10x的SPI引腳 。 關于GPIO引腳的復用功能，可查閱《STM32F10x規格書》，以它為準。

??其中SPI1是APB2上的設備，最高通信速率達36Mbtis/s，SPI2、SPI3是APB1上的設備，最高通信速率為18Mbits/s。除了通訊速率， 在其它功能上沒有差異。其中SPI3用到了下載接口的引腳，這幾個引腳默認功能是下載，第二功能才是IO口，如果想使用SPI3接口， 則程序上必須先禁用掉這幾個IO口的下載功能。一般在資源不是十分緊張的情況下，這幾個IO口是專門用于下載和調試程序，不會復用為SPI3。

2. 時鐘控制邏輯

??SCK線的時鐘信號，由波特率發生器根據“控制寄存器CR1”中的BR[0:2]位控制，該位是對fpclk時鐘的分頻因子， 對fpclk的分頻結果就是SCK引腳的輸出時鐘頻率，計算方法見表 BR位對fpclk的分頻 。

其中的fpclk頻率是指SPI所在的APB總線頻率， APB1為fpclk1，APB2為fpckl2。
通過配置“控制寄存器CR”的“CPOL位”及“CPHA”位可以把SPI設置成前面分析的4種SPI模式。

3. 數據控制邏輯

??SPI的MOSI及MISO都連接到數據移位寄存器上，數據移位寄存器的數據來源及目標接收、發送緩沖區以及MISO、MOSI線。 當向外發送數據的時候，數據移位寄存器以“發送緩沖區”為數據源，把數據一位一位地通過數據線發送出去；當從外部接收數據的時候， 數據移位寄存器把數據線采樣到的數據一位一位地存儲到“接收緩沖區”中。通過寫SPI的“數據寄存器DR”把數據填充到發送緩沖區中， 通訊讀“數據寄存器DR”，可以獲取接收緩沖區中的內容。其中數據幀長度可以通過“控制寄存器CR1”的“DFF位”配置成8位及16位模式； 配置“LSBFIRST位”可選擇MSB先行還是LSB先行。

4. 整體控制邏輯

??整體控制邏輯負責協調整個SPI外設，控制邏輯的工作模式根據我們配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的參數而改變， 基本的控制參數包括前面提到的SPI模式、波特率、LSB先行、主從模式、單雙向模式等等。在外設工作時， 控制邏輯會根據外設的工作狀態修改“狀態寄存器(SR)”，我們只要讀取狀態寄存器相關的寄存器位， 就可以了解SPI的工作狀態了。除此之外，控制邏輯還根據要求，負責控制產生SPI中斷信號、DMA請求及控制NSS信號線。
??實際應用中，我們一般不使用STM32 SPI外設的標準NSS信號線，而是更簡單地使用普通的GPIO，軟件控制它的電平輸出，從而產生通訊起始和停止信號。

3.通訊過程

??STM32使用SPI外設通訊時，在通訊的不同階段它會對“狀態寄存器SR”的不同數據位寫入參數，我們通過讀取這些寄存器標志來了解通訊狀態。
??圖 主發送器通訊過程 中的是“主模式”流程，即STM32作為SPI通訊的主機端時的數據收發過程。

主模式收發流程及事件說明如下：

(1) 控制NSS信號線， 產生起始信號(圖中沒有畫出)；

(2) 把要發送的數據寫入到“數據寄存器DR”中， 該數據會被存儲到發送緩沖區；

(3) 通訊開始，SCK時鐘開始運行。MOSI把發送緩沖區中的數據一位一位地傳輸出去； MISO則把數據一位一位地存儲進接收緩沖區中；

(4) 當發送完一幀數據的時候，“狀態寄存器SR”中的“TXE標志位”會被置1，表示傳輸完一幀，發送緩沖區已空；類似地， 當接收完一幀數據的時候，“RXNE標志位”會被置1，表示傳輸完一幀，接收緩沖區非空；

(5) 等待到“TXE標志位”為1時，若還要繼續發送數據，則再次往“數據寄存器DR”寫入數據即可；等待到“RXNE標志位”為1時， 通過讀取“數據寄存器DR”可以獲取接收緩沖區中的內容。

??假如我們使能了TXE或RXNE中斷，TXE或RXNE置1時會產生SPI中斷信號，進入同一個中斷服務函數，到SPI中斷服務程序后， 可通過檢查寄存器位來了解是哪一個事件，再分別進行處理。也可以使用DMA方式來收發“數據寄存器DR”中的數據。

4.實戰——讀寫串行FLASH

1.硬件連接

注意：
如果SPI通訊中的三個從機都是推挽輸出（Push-Pull Output），那么在沒有適當管理的情況下，當多個從設備同時驅動MISO線時，就會發生線路沖突，這可能導致數據錯誤和通信故障。為了解決這個問題，【從機】一般采用下面的處理方式：

片選（Chip Select）：每個從設備都有一個獨立的片選線，用于啟用或禁用該設備的輸出。當主設備想要與某個從設備通信時，它會通過激活相應的片選線來選擇該從設備。未被選中的從設備會將其MISO輸出設置為高阻態（High-Impedance），從而不會對MISO線產生影響。

2.軟件設計

編程要點：

1. 初始化通訊使用的目標引腳及端口時鐘；
2. 使能SPI外設的時鐘；
3. 配置SPI外設的模式、地址、速率等參數并使能SPI外設；
4. 編寫基本SPI按字節收發的函數；
5. 編寫對FLASH擦除及讀寫操作的的函數；
6. 編寫測試程序，對讀寫數據進行校驗。

擴展1：SPI物理層第二種連接方式：菊花鏈

在數字通信世界中，在設備信號（總線信號或中斷信號）以串行的方式從一 個設備依次傳到下一個設備，不斷循環直到數據到達目標設備的方式被稱為菊花鏈。

菊花鏈的最大缺點是因為是信號串行傳輸，所以一旦數據鏈路中的某設備發生故障的時候，它下面優先級較低的設備就不可能得到服務了；
另一方面，距離主機越遠的從機，獲得服務的優先級越低，所以需要安排好從機的優先級，并且設置總線檢測器，如果某個從機超時，則對該從機進行短路，防止單個從機損壞造成整個鏈路崩潰的情況；

具體的連接如下圖所示：


采用一個/SS (或者/CS) 信號控制所有從器件的/CS 輸入； 所有從器件接收同一個時鐘信號。只有鏈上的第一個從器件(SLAVE 1) 從微控制器直接接收命令。 其他所有從器件都從鏈上前一個器件的 DOUT 輸出獲得其 DIN 數據。要保證菊鏈正常工作， 每一個從器件就必須能在給定的命令周期內(定義為每一個命令所需的時鐘數) 從 DIN 引腳讀入命令， 而在下一個命令周期從 DOUT 引腳輸出同樣的命令。 顯然，從 DIN 到 DOUT 會有一個命令周期的延遲。 另外， 各個從器件只能在/CS 的上升沿執行寫入的命令。 這意味著只要/CS 保持低電平， 從器件將不會執行命令， 并且會在下一個命令周期將命令通過 DOUT 引腳輸出。 如果在給定命令周期之后/CS 變高， 所有從器件將立即執行寫入 DIN 引腳的命令。 如果/CS 變高， 數據將不會從 DOUT 輸出， 這就使得鏈上每個從器件可以執行不同的命令。只要菊鏈的這些要求能夠滿足， 微控制器只需三個信號(/SS、SCK 和 MOSI)就能控制網絡上的所有從器件。

所以最終的數據流向圖可以表示為：

SCK為時鐘信號，8clks表示8個邊沿信號；
其中D為數據，X為無效數據

所以不難發現，菊花鏈模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能，整個鏈充當通信移位寄存器，每個從機在下一個時鐘周期將輸入數據復制到輸出。

詳細原理請看：SPI菊花鏈原理和配置

擴展2：關于stm32硬件spi的MISO口配置

在我們剛使用spi時，對于spi的io口配置可能會有一些疑惑吧，miso明明是一個輸入口卻配置成了復用推挽輸出，是不是會有一點疑惑呢？

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;     // 復用的推挽輸出

MISO不是應該設置成為輸入端口（GPIO_Mode_IN_FLOATING）才行的嗎？其實可以設置成為輸入模式，也可以設置成為復用的推挽輸出。其工作都是正常的，不過建議大家還是設置成為輸入端口的好，容易理解。

具體產生這一問題的原因是：從功能上來說，MISO應該配置為輸入模式才對，但為什么也可以配置為GPIO_Mode_AF_PP？請看下面的GPIO復用功能配置框圖。當一個GPIO端口配置為GPIO_Mode_AF_PP是，這個端口的內部結構框圖如下：圖中可以看到，片上外設的復用功能輸出信號會連接到輸出控制電路，然后在端口上產生輸出信號。但是在芯片內部，MISO是SPI模塊的輸入引腳，而不是輸出引腳，也就是說圖中的"復用功能輸出信號"根本不存在，因此"輸出控制電路"不能對外產生輸出信號。而另一方面看，即使在GPIO_Mode_AF_PP模式下，復用功能輸入信號卻與外部引腳之間相互連接，既MISO得到了外部信號的電平，實現了輸入的功能。

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參考文章：

什么是串行與并行？串行和并行各自有什么優越點和應用場景？
什么是同步通信？什么是異步通信？兩者的優缺點是什么？
SPI協議詳解（圖文并茂+超詳細）
關于stm32硬件spi的miso口配置